Bald Mikro-Brennstoffzellen als Akku-Ersatz in Handys?

Dreidimensionaler Aufbau soll Durchbruch bringen. Das regelmäßige Laden der Akkus von Mobiltelefonen, Notebooks und anderen tragbaren Geräten könnte in der Zukunft überflüssig werden. STMicroelectronics teilte mit, dass eines seiner Forschungsteams Fortschritte bei der Entwicklung kleinster Brennstoffzellen erzielt hat. Die Brennstoffzellen seien klein genug für den Einbau in ein Handy und dennoch leistungsfähig genug, um die gesamte Energie zur Versorgung des Telefons erzeugen zu können.

11. September 2003 um 09:35 Uhr / Andreas Donath

"Durch die Verwendung von Brennstoffzellen an Stelle von Akkus würden Handys leichter und benutzerfreundlicher, da sie einfach mit neuem Brennstoff betankt werden könnten, wann immer es erforderlich ist", sagte Dr. Salvo Coffa, Leiter des Corporate Technology R&D (Research und Development) Teams, das auf dem Gebiet der Mikro-Brennstoffzellen-Technologie forscht. "Überdies ergäben sich gravierende Vorteile für die Umwelt, denn der Brennstoff kann aus nachhaltigen organischen Quellen gewonnen werden und als Nebenprodukt entsteht neben Wasser eine deutlich geringere Menge Kohlendioxid als bei der Verbrennung fossiler Treibstoffe."

Die Funktion einer Brennstoffzelle beruht auf einer chemischen Wechselwirkung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, bei der Wasser, Wärme und elektrische Energie frei wird. Eine Brennstoffzelle besteht in der Regel aus einem Elektrodenpaar (Anode und Katode). Beide sind durch eine Membran getrennt, die für Protonen (Wasserstoff-Ionen) durchlässig ist, aber von Elektronen nicht passiert werden kann. Katalysatoren wie zum Beispiel Platin werden zum Verstärken der Reaktion genutzt, damit mehr elektrische Energie erzeugt wird.

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Das Hauptproblem bei der Verwendung der Brennstoffzellen-Technik in Mobiltelefonen besteht darin, dass die Energiequelle (gleich ob Akku oder Brennstoffzelle) bei einer Spannung von 3,6 Volt einen Strom von etwa 300 Milliampere (mA) liefern muss, dabei aber ein Volumen von ca. 12 Kubikzentimetern nicht überschreiten darf. Der Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle steht jedoch in direktem Verhältnis zur Berührungsfläche zwischen Elektroden und Membran. Um also mit konventioneller Brennstoffzellen-Technologie einen Ausgangsstrom von 300 mA zu erzielen, wäre eine Fläche von etwa 60 Quadratzentimetern nötig – wesentlich mehr als in einem Mobiltelefon mit normalen Ausmaßen untergebracht werden kann.

ST hat nun einen Teilschritt zur Überwindung dieses Problems gemacht und neue Techniken entwickelt, die die Brennstoffzelle als dreidimensionale Struktur implementiert. Tausende Mikrokanäle maximieren dabei die Kontaktfläche zwischen den Gasen, den Katalysatoren und den Elektroden.

Dem Forscherteam bei ST gelang außerdem die Herstellung einer speziellen nanoporösen Schicht aus Silizium mit Millionen von Poren, die jeweils einen Durchmesser von wenigen Nanometern haben. Dieser äußerst geringe Porendurchmesser verhelfe der Schicht zu einer sehr großen wirksamen Oberfläche, wodurch die Effizienz der Katalyse erhöht wird. Gemeinsam mit der Universität Neapel entwickelt man neue Membranen mit hoher Protonen-Durchlässigkeit, die noch dazu preisgünstiger seien als die heute kommerziell angebotenen Membran-Werkstoffe.

Die Arbeit von ST im Bereich der Mikro-Brennstoffzellen wird teils durch ein nationales Forschungsprojekt unterstützt, dessen Ziel die Entwicklung kleiner Brennstoffzellen für tragbare elektronische Geräte ist und an dem sich außerdem mehrere weitere italienische Institutionen (CNR-IMM, CNR-ITAE, CNR-ITS und die Pirelli-Laboratorien) beteiligen. ST leitet und koordiniert in diesem Vorhaben die Aktivitäten im Zusammenhang mit der Herstellung und Integration von Mikro-Brennstoffzellen.